Інститут проблем матеріалознавства
ім. І.М. Францевича НАН України

КОНСТАНТіНОВА
Тетяна Євгенівна

УДК 539:53.9.25:539.7.:539.4/669-1

Дислокаційні структури мезорівня

та властивості деформованих сплавів
на базі заліза та тИтану

01.04.13 - фізика металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук

.

Київ-1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Донецькому фізико-технічному інституті
ім. О.О. Галкіна НАН України

Науковий консультант: доктор фіз.-мат.наук, професор
Токій Валентин Володимирович,
Донбаська державна академія будівництва і архітектури,

керівник секції фізики

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат.наук, професор
Рябошапка Карл Петрович,
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України;

провідний науковий співробітник

доктор фіз.-мат.наук
Лоцко Діна Василівна,
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України,

провідний науковий співробітник

доктор фіз.-мат.наук, професор

Фельдман Едуард Петрович,
Донецький фізико-технічний
інститут ім. О.О. Галкіна
НАН України, зав.відділом

провідна установа: Донецький державний університет,

кафедра фізики твердого тіла

та фізичного матеріалознавства

Захист відбудеться “_24_”_вересня_1999 р. o _10-00__годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.01 Інституту про-блем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою 252142, Київ-142, вул. Кржижанівського,3.

С дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Інсти-туту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою 252142, Київ-142, вул. Кржижанівського, 3,

Автореферат розіслано “_19_”_серпня_1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 26.207.01 Падерно Ю.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Однією з найбільш актуальних проблем фізики твердого тіла, фізики металів, матеріалознавства та механіки деформованого тіла залишається проблема міцності і пластичності. Не зважаючи на наявні досягнення, що одержано в цій галузі за останні роки, дослідники залишаються все ще досить далеко від всебічного розуміння фізичних процесів, які мають місце при пластичній деформації твердих тіл. Без цього розуміння практично неможливе подальше просування по шляху створення нових та удосконалення вже існуючих матеріалів, обмірковане керування процесами пластичної деформації і фазових перетворень, а також прогнозування межі витривалості реальних матеріалів в умовах їх експлуатації. Довгі роки наука про міцність і пластичність розвивалась за двома основними напрямками. Перший відбивав макроскопічний підхід і був створений на класичній континуальній механіці деформованого тіла. Другий, що розвивався в межах фізики твердого тіла, розглядав пластичну деформацію як процес руху окремих дислокацій (мікроскопічний підхід).

Накопичення експериментальних даних і обмеженість можливості застосування мікроскопічних уявлень привели дослідників до необхідності розгляду пластичної деформації як багаторівневого процесу еволюції дефектів. З’явилися роботи, які присвячені проміжному мезоскопічному рівню формування дефектної структури, виникли уявлення про дисклінації, ротаційну моду пластичності, колективні ефекти в ансамблі дислокацій. З іншого боку, розвиток мікроско-пічних уявлень привів до необхідності врахування мікроструктури і народження мікро- або мезомеханіки матеріалів.

Існуючих до цього часу робіт явно недостатньо для будівництва цілісної картини процесу пластичної деформації матеріалів у взає-мозв’язку з їх властивостями. Особливо це стосується реальних багатокомплексних металевих систем з великою густиною дислокацій.

Тому дослідження в даному напрямку є актуальними і мають змогу стати основою нового напрямку – мезоскопічної фізики міцності і пластичності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає основним напрямкам досліджень Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України, що проводяться протягом останніх 20 років, зокрема напрямкам “Фізика міцності і пластичності” та “Фізика високих тисків”.

Роботу виконано в межах таких держбюджетних тем, що фінан-суються НАН України: “Мезоскопічні ефекти при деформації твердих тіл в умовах високого тиску” (1989р., пошукова тема без номера); “Дослідження впливу деформації в умовах високого тиску на формування дефектної структури мезоскопічного рівня і властивостей іон-но-ковалентних та металевих багатокомпонентних систем” (1990–1993 р.р., №01900011817); “Самоорганізація дефектної структури в твердих тілах при деформуванні під тиском” (1994–1997 р.р.,
№ 0194V021978); “Релаксація, структурні і фазові перетворення в надто нерівноважних твердотільних агрегатах” (1997–2000 р.р., №0107V008904).

Роботи в цьому напрямку проводились при підтримці Міністер-ства України у справах науки і технологій за проектами: “Розробка фізичних основ і технологічних засобів підвищення комплексу механічних властивостей мартенситностаріючих сталей з використанням високоефективних методів пластичного деформування” (1993–1994 р.р., №07.02.01/012–92) в межах науково-технічної програми “Нові металеві матеріали” і “Експериментальне та теоретичне дослід-ження нової вигинної моди пластичної деформації і відповідних структурних дефектів” (1994–1995 р.р., №58, 2.03.73) з фонду фундаментальних досліджень.

Мета і завдання роботи. Метою роботи є з’ясування мезоскопіч-них механізмів і закономірностей процесу пластичної деформації багатокомпонентних залізних і титанових сплавів з високою густиною дислокацій та розробка на цій основі фізичних принципів керування структурою і властивостями подібного типу сплавів.

Для досягнення вказаної мети необхідно було вирішити слідуючі задачі: 1. Дослідити структурні зміни при пластичній деформації сплавів з високою густиною дислокацій в залежності від ступеня деформації і характеру пружного стану при різних видах деформуван-ня. 2. Вивчити вплив ефекту закріплення дислокацій домішками і ступеня метастабільності у вихідному стані на формування мезо-структури сплавів, що деформуються. 3. Виявити особливості харак-теру руйнування в сплавах з різними мезоскопічними механізмами деформації. 4. Встановити закономірності зміни фізико-механічних властивостей під час реалізації різних механізмів мезорівня пластич-ної деформації. 5. Виявити вплив післядеформаційного нагріву на властивості сплавів. 6. Дослідити можливість побудування моделей для опису мезомеханізмів пластичної деформації, що спостері-гаються. 7. Сформулювати основні принципи керування структурою і властивостями багатокомпонентних сплавів з високою густиною дислокацій на основі розуміння мезоскопічних механізмів деформації.

Наукова новизна. Вперше системно вивчено закономірності структуроутворення в процесі пластичної деформації багатокомпонентних ОЦК твердих розчинів на основі заліза і титану з високою густиною дислокацій в широкому інтервалі деформацій при різних видах деформування з варіюванням вихідного стану.

Знайдено, що в сплавах на основі заліза і титану деформація може призводити до утворення структури з безперервною зміною розорієнтації окремих областей в середині одного зерна, яка характеризується наявністю екстинкційних контурів на електронно-мікроско-пічному зображенні, і раніш не була описана в матеріалах, що досліджуються. В залізо-нікелевих мартенситностаріючих сплавах пластична деформація забезпечується майже до 60–70% лише за рахунок формування вказаної структури.

Розвинено уявлення про формування екстинкційних контурів на електронно-мікроскопічному зображенні структури щодо неоднорід-ного вигину в загальному випадку дипольного циліндричного вигину. Розроблено основи нової методики експериментального визначення параметрів локального вигину для необхідної ділянки фольги.

На основі аналізу механізмів пластичної деформації, що спостерігається в різних матеріалах, запропоновано розширити класифікацію мод пластичної деформації і ввести поряд з відомими – трансляційною і ротаційною модами поняття вигинної моди деформації. Основним структурним дефектом мезорівня, що відповідає цій моді, запропоновано вважати локальний вигин, який, на відміну від лінійних дефектів (дислокацій і дисклінацій) є об’ємним. Сформульовано умови які необхідні для проявлення вигинної деформації як основного механізму.

Запропоновано дислокаційну модель локального вигину кристалічної гратки у вигляді двох рядків дислокацій протилежного знаку, що розташовані під кутом один до одного в центральній частині і в одній площині на периферії області вигину. Знайдено основні параметри, що характеризують вказаний мезодефект.

З’ясовано, що вигинна деформація мартенситностаріючих сплавів затримує початок розпаду твердого розчину при гомогенному виділен-ні другої фази (Nі3Ме, 450оС) і прискорює процес гетерогенного розпаду (Fe2Ме, 550–600оС).

З’ясовано можливість зміни механізму деформації в Fe–С сплаві від ротаційного до вигинного внаслідок попередньої термічної обробки, що обумовлено появою вільних дислокацій, які не закріплені атомами вуглецю.

Показано, що за допомогою деформаційного впливу можна виключити утворення крихкого двійникового мартенситу в багатовуглецевому сплаві Х12М і забезпечити формування більш пластичного дислокаційного мартенситу.

Вперше показано, що вплив вихідного стану титанового сплаву різного ступеня метастабільності на мезоскопічні механізми пластичної деформації є визначаючим, зокрема для переходу від ротаційних до вигинних механізмів, а також вивчено характер змін механічних властивостей від ступеня деформації для різних вихідних структур.

Знайдено утворення -мартенситу і його зворотнє перетворення в -фазу в результаті деформації титанового сплаву ВТ22 в однофазному -стані. Ці процеси розглядаються як нові канали дисипації енергії пластичної деформації і приклад проявлення ротаційної моди пластичності.

Проведено макроскопічний розгляд процесу розвиненої пластичної деформації на основі будування нових реологічних моделей для вигинної і ротаційної деформацій.

На основі одержаних в роботі закономірностей зміни структури при деформації і наступному нагріві розроблено низку нових засобів підвищення міцності і зниження крихкості сплавів, що досліджу-ються. Сформульовано основні принципи створення високоміцного стану з використанням деформаційного впливу.

Практична цінність одержаних результатів. Оригінальні результати дослідження впливу деформації на структуроутворення металевих сплавів з високою густиною дислокацій використано для розробки нових ефективних засобів підвищення міцності промислових залізо-нікелевих, залізо-вуглецевих і титанових сплавів. Результати дослідження по покращенню властивостей мартенситностаріючих і титанових сплавів передано у вигляді звітів науково-дослідному Машинобудівному інституту (м. Москва) та КБ “Південне” (м. Дніпро-петровськ).

Відображені в роботі уявлення про механізми деформації, про вплив деформації на розпад твердих розчинів, про природу сповільненого руйнування в мартенситностаріючих сплавах і зворотної відпускної крихкості в середньолегованих сталях покладено в основу нових засобів боротьби з крихкістю сплавів.

Показано можливість підвищення в’язкості сталі Х12М за рахунок застосування пластичної деформації, яка обумовлює утворення дислокаційного мартенситу замість двійникованого.

Встановлені закономірності структурних перетворень під час пластичної деформації і їх звязки із зміною механічних властивостей мають спільний характер для сплавів з високою густиною розподілених дислокацій і можуть бути покладені в основу розробки нових технологій покращення комплексу властивостей різних металевих і композиційних матеріалів.

Запропонована в роботі методика електронно-мікроскопічної оцінки структурних параметрів, які характеризують області мезоскопічного вигину кристалічної гратки, може бути використана для дослідження структур різних матеріалів з розорієнтацією, що безперервно змінюється.

Сформульовані в роботі уявлення про механізми пластичної деформації і запропоновані моделі локального вигину можуть використовуватись в якості фізичної основи при вивченні деформації різних твердих тіл і подальшого розвитку мезоскопічної фізики міцності та пластичності.

Впровадження наукових розробок. Одержані в роботі результати підвищення властивостей сплавів на основі заліза і титану закріплено авторськими свідоцтвами та передано зацікавленим організаціям для подальшого впровадження у виробництві оборонної техніки.

Зміцнені за допомогою пластичної деформації мартенситностаріючі сплави було використано в Донецькому фізико-технічному інституті ім.О.О.Галкіна НАН України при створенні контейнерів високого тиску з робочим тиском 1,8 ГПа для фізичних експериментів, а також в якості матеріалу матриць для гідропресування і пресформ при виробництві кераміки.

Особистий внесок автора. В дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, які зроблені особисто здобувачем , під його керівництвом і спільно з колегами. Формулювання мети і задач, планування і постановка роботи, аналіз і узагальнення результатів, які одержані на різних сплавах, виконано здобувачем. Автор є безпосереднім співучасником усіх експериментів, що становлять основу дисертації, зокрема він виконав структурні дослідження методами оптичної і електронної мікроскопії, вивчив залежності фізико-механічних властивостей від параметрів обробки. Ідеї автора покладено в основу нових уявлень про мезоскопічні механізми пластичної деформації металів, ним виявлено основні закономірності формування структури в сплавах на основі заліза і титану з високою густиною дислокацій при деформації і наступному нагріві, сформульовані загальні принципи управління структурою і властивостями матеріалів з високою густиною дислокацій, запропоновано оригінальні рішення для покращення властивостей сплавів.

Автор роботи є ініціатором проведення в інституті комплексу досліджень в галузі мезоскопічної фізики міцності і пластичності. Він зацікавив проблемою і схилив до рішення цілого ряду задач фізиків-теоретиків, на основі взаємодії з якими написано декілька спільних робіт . В цих роботах ідейна сторона постанови задачі, формулювання мети та плану роботи належить авторові, теоретичні дослідження, моделювання – співавторам: Токію В.В., Стефановичу Л.І., Бейгельзімеру Я.Ю., аналіз одержаних результатів, співставлення з експериментом і формулювання висновків проводились спільно.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на: симпозіумі “Застосування електронної мікроскопії в сучасній техніці”, Москва, 1978р.; Всесоюзних конференціях “Гідро-статична обробка матеріалів”, Донецьк, 1979, 1985р.р.; конференції “Одержання, обробка і властивості сталі і чавуну”, Тула, 1979р.;
III Республіканському науковому семінарі “Вплив високого тиску на речовину”, Кацівелі, 1979р.; III Всесоюзній конференції з текстур і рекристалізації, Красноярськ, 1980р.; Всесоюзних конференціях “Фізика руйнування”, Київ, 1980, 1989 р.р.; III Координаційному семінарі по зміцненню сталей і сплавів, Барнаул, 1981р.; Х–ХIX Міжнародних конференціях з фізики міцності і пластичності сталей і сплавів, Самара, 1983, 1986, 1989, 1992, 1995р.р.; конференції “Проблеми створення і застосування високоміцних конструкційних сталей”, Москва, 1983р.; Всесоюзних науково-технічних конференціях “Інтеркристалітна крихкість сталей і сплавів”, Іжевськ, 1984, 1989, 1990р.р.; Об’єднаному семінарі “Актуальні проблеми” і “Пластичність сплавів і порошкових матеріалів”, Барнаул, 1985р.; конференції “Субструктурне зміцнення металів і дифракційні методи дослідження”, Київ, 1985р.; Всесоюзній нараді “Застосування високого тиску для одержання нових матеріалів і створення інтенсивних процесів хімічних технологій”, Москва, 1986р.; Х Уральській школі металознавців-термістів, Устинов, 1987р.; Х III Всесоюзній конференції з електронної мікроскопії, Суми, 1987р.; конференції “Отри-мання і обробка матеріалів високим тиском”, Мінськ, 1987 р.; VIII, ХІ, ХII Міжнародних конференціях AIRAPT “Високі тиски в науці і техніці”, Упсала, 1981р.; Київ, 1987р.; Падеборн, 1989р.; V, VI нарадах по старінню металевих сплавів, Свердловськ, 1989, 1992р.р.; V Всесоюзному семінарі “Структура дислокацій і механічні властивості металів і сплавів”, Свердловськ, 1990р.; IX Республіканській конференції “Субструктурне зміцнення металів”, Київ, 1990р.; Всесоюзних конференціях по мартенситних перетвореннях в твердому тілі, Косов, 1991, 1992р.р.; IV Всесоюзному симпозіумі “Сталі і сплави кріогенної техніки”, Київ, 1990р.; XXXII зустрічі EHRPG “Високий тиск в матеріалознавстві і геонауці”, Брно, 1994р.; III семінарі країн співдружності “Актуальні питання дифузії, фазових і структурних перетворень в сплавах”, Сокирне, 1995р.; конференції “металознавство і обробка металів”, Донецьк, 1996р.; Меморіальному симпозіумі академіка В.М.Гріднєва “Метали і сплави: фазові перетворення, структура, властивості”, Київ, 1998р..

Публікації. Результати роботи відображені в: монографії,
25 наукових статтях, 1 збірнику наукових праць; 16 збірниках матеріалів і тезисів конференцій.

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків і списку літератури. Об’єм дисертації 314 сторінок друкованого тексту, в тому числі 78 рисунків на 36 сторінках, 20 таблиць об’ємом 11 сторінок і бібліографія з 275 робіт.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, обгрунтовано практичну і наукову цінність результатів, визначено особистий внесок автора, подано перелік конференцій, на яких доповідались результати роботи.

В першому розділі “Основні тенденції і методичні підходи в дослідженні пластичної деформації металів” стисло розглянуто розвиток уявлень про процес пластичної деформації у зв’язку з введенням поняття структурних рівнів, приведено класифікацію дислокаційних структур, розглянуто можливість аналізу дислокаційних структур деформованих ОЦК-кристалів з високою густиною дислокацій і обговорено основні завдання дослідження. В цій же главі є обгрунтування вибору об’єктів дослідження, наведено умови деформаційного і термічного впливу, дано характеристику основних методів дослідження.

Аналіз наукової літератури показує, що процес пластичної деформації з самого початку вивчався на різних структурних рівнях, що досі не обговорювалося. Дуже великий внесок в цьому напрямку зроблено вченими СНД, зокрема відомими школами Санкт-Петербурга, Києва, Москви, Томська, Харкова.

Введення уявлення про ротаційну моду (Рибін В.В., Верга-
зов О.М., Ліхачов В.О. та інші) обумовило необхідність виділення рівнів пластичної деформації (Панін В.Є., Гриняєв Ю.В.). В цій класифікаційній шкалі поряд з поняттям про мікро- і макрорівні (Архаров В.І. в 1980р. і Владіміров В.І. в 1986р.) ввели уявлення про мезорівень, який можна характеризувати колективним характером в поведінці дислокацій, що має місце при деяких критичних густинах дислокацій. Поява колективних ефектів обумовлена як термодинамічним, так і кінетичним факторами, в основі яких лежить виграш в енергетиці і рухливості дислокаційних груп у порівнянні з поодинокою дислокацією.

Велику кількість структур, що описано в літературі, можна об’єднати в дві групи: нерозорієнтовані і дискретно розорієнтовані структури, що зв’язані з трансляційною і ротаційною модами деформації відповідно. В той же час є приклади структур з безперервною зміною розорієнтації, зокрема в сплавах Cr–45%Fe (Фірстов С.О., Саржан Г.Ф. та інші), Nb–Mo–ZrO2 (Коротаєв О.Д., Тюменцев О.М. та інші), сплавах Ni–25%Fe (Козлов Е.В., Конєва Н.О. та інші) в Mo i W (Засимчук Є.Е. з співробітниками), які класифіковано як дислокаційно-дисклінаційні і інтерпретовано як проявлення ротаційної моди деформації. Найбільш детально такі структури розглянуто в роботах Коротаєва О.Д., Тюменцева О.М., Вергазова О.М., Гончико-
ва В.М., де їх наявність пов’язана з аномально високою кривизною кристалічної гратки, що обумовлено утворенням потужних дислокаційних зарядів. Проте багато питань, що пов’язані з такими структурами, є або нез’ясованими, або дискусійними. Зокрема немає чітких уявлень про причини і умови появи таких структур, про їх кристалогеометричні характеристики, про методи їх дослідження. Систематичних досліджень, що присвячені мезорівню пластичної деформації складних багатокомпонентних систем з високою густиною дислокацій, до яких в більшості випадків відносяться реальні сплави, що використовуються у техніці, практично не проводилось. Це і обумовило мету даної роботи і вибір відповідних об’єктів дослідження.

Досліджено три групи сплавів: залізонікелеві, залізовуглецеві і титанові, які є ОЦК твердими розчинами в загартованому стані (табл.1).

Для деформації досліджених сплавів застосували гідростатичне пресування, для порівняння – прокатку, ротаційну ковку, стиснення і розтяг.

Вірогідність результатів роботи базується на використанні комплексу методів дослідження: оптичної, електронної просвічуючої і растрової мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу, вимірюванні фізичних властивостей (коерцитивної сили, густини, модуля пружності), оцінці механічних властивостей відповідно з вимогами ГОСТу, а також на співставленні фізичних моделей, що розробляються, з експериментальними даними.

В другому розділі “Еволюція дислокаційної структури при пластичній деформації сплавів системи Fe–Ni” описано особливості зміни структури і властивостей мартенситностаріючих залізонікеле-вих сплавів, проаналізовано закономірності зміни властивостей і характеру дислокаційної структури при пластичній деформації сплавів в широкому діапазоні ступеня деформації при різних видах деформування, вивчено дилатаційні ефекти і руйнування мартенситностаріючих залізонікелевих сплавів. Зроблено аналіз формування елек- тронно-мікроскопічного контрасту при наявності неоднорідного вигину в кристалі і описано дислокаційну модель локального вигину.

Залізонікелеві сплави при густині дислокацій = 1011–1012 cм–2 мають високу пластичність як у вихідному мартенситному стані (відносне звуження 70% при межі плинності 0,2 1100 МПа), так і в зістареному стані ( = 50–60% при 0,2 ~ 2100 МПа). Для таких сплавів є характерним слабке деформаційне зміцнення (рис. 1). Окрім того, залежності їх мікротвердості і мікронапруг від спупеня деформації мають аномальне зниження в області деформацій 5–10%, що можна пов’язати із зниженням густини дислокацій. Цей висновок підтверджується вимірами коерцитивної сили, що пропорційна .

Електронно-мікроскопічний аналіз структури мартенситностаріючих залізонікелевих сплавів показує, що при малих деформаціях (5%) в мартенситних кристалах виникають замкнуті екстинкційні контури, що розширюються або звужуються при нахилі фольги. Кількість їх зростає з ростом ступеня деформації, а розмір зменшується від 1–3 мкм при = 10% до 0,5мкм при = 60%. При цьому має місце азимутальне розмиття рефлексів на мікродиф-ракційних картинах. Все це свідчить про безперервні зміни орієнтації областей кристалічної гратки. І тільки при 60–70% починається дискретна розорієнтація.

Таблиця 1

Вміст основних компонентів у сплавах, що досліджено

Систе-ма | Сплав | Компоненти
твердих розчинів

проник-нення | заміщення

Модельний (Н17)– | Ni17,0

Fe–Ni |

ЧС98(Н17В10МТ |

C 0,01 |

Ni15,7; W9,9;

Mo1,96; Ti1,1;

ЭП637
(Н18К9М5Т)

ЭП836
(Н17В10К10МТ) | C 0,02

C0,01 | Ni18,3; Co8,7; Mo5,2; Ti0,6

Ni16,6; W10,1; Co10,7

Mo1,1; Ti0,84

Fe–C | 30ХГСА

35Х3НМ | С 0,31

С 0,35 | Cr3,0; Mn0,9; Si1,1

Cr3,0; Ni1.0; Mo1,0

Х12М | С 1,55 | Сr 12,0; Mo 0,5

Ti-Al-

-Mo-V | ВТ22 | С 0,13 | Al5.4; Mo4.7; V5.0;

Cr1.0; Fe0.93

Рис.1. Відношення границі плинності в деформованому вихідному стані сплавів ЭП836 (1), ВТ22 (2), 35Х3НМА (3) залежно від ступеня деформації.

Аналіз узагальненого рівняння екстинкційного контура показує, що зміна розміру екстинкційного контура при нахилі фольги можлива лише у випадку локалізованого вигину, що характеризують тензором вигину-крутіння. Ступінчате наближення неоднорідного вигину у вигляді циліндричного диполя кривизни дає звуження та розширення контура при нахилі фольги. Такий підхід дозволив розробити електронно-мікроскопічний метод визначення компонент тензора вигину-крутіння по координаті екстинкційного контура при двох різних кутах нахилу фольги. На рис. 2 наведений приклад визначення компонент тензора вигину-крутіння для сплаву Н17ВІОК10МТ, що деформовано на 40%. Встановлено, що вигин є дипольним, його кривизна практично постійна на відстані від центру і різко зростає поблизу нього, досягаючи 0,4 рад/мкм (23 град/мкм).

На основі понять механіки деформованого тіла і дислокаційної теорії з використанням одержаних експериментальних даних запропоновано модель вигину кристалічної гратки. Виходячи з моделі, локальний вигин можна уявити як результат утворення дипольних дислокаційних скупчень у вигляді плоских на периферії та нахилених у центрі рядів крайових дислокацій. Основними кристалогеометрич ними характеристиками локального пружнопластичного вигину як мезодефекту треба вважати: величину дислокаційного заряду – сумарний (ефективний) вектор Бюргерса ряду дислокацій однакового знаку; відстань між дислокаціями однакового знаку у ряді – локальну густину дислокаційного заряду; відстань між центрами дислокаційних зарядів – плече диполя. На відміну від дислокації і дисклінації дефект, який описано, не є лінійним.

Параметри моделі, що відповідає центральній області локального вигину, де кривизна змінюється круто, дають густину дислокацій порядку 1013см–2, в той час, як на периферії вона знаходиться на рівні 1010см–2 (відстань між дислокаціями змінюється майже на порядок). В кристалі, який обмежений, на відміну від пластини, вищезгадані дислокаційні скупчення викликають менші за розміром вигини. Рівень напруг всередині цього дефекту пропорційний густині дислокаційного заряду N/d, а зовні – N2/L2, таким чином швидко зменшується з ростом відстані (L) від центру дефекту (N – кількість дислокацій однакового знаку, d – відстань між дислокаціями у рядку). Моделювання для випадку диполя часткових дисклінацій дає різку зміну кута, іншими словами – стрибок розорієнтації.

а

б

Рис. 2. Схеми диполя кривизни кристалічної гратки (а), екстинкційного контура при нахилі фольги (б) і залежність компонент тензора вигину-крутіння від відстані до центру диполя (в), х – вздовж напрямку Х довкола осі ОУ, – вздовж напрямку Х довкола осі ОУ, о – вздовж напрямку У довкола осі ОХ

Відносна зміна об’єму (V/V) у випадку деформації Fe–Ni сплавів із ступенем 0–87,5% знаходиться у межах 10–3, що перевищує ефект великої густини дислокацій, які розподілено рівномірно (10–5–10–4).

Фрактографічні дослідження Fe–Ni сплавів до та після деформації засвідчили, що вони мають в’язкий характер руйнування з елементами розшарування.

Третій розділ “Пластична деформація, руйнування та властивості Fe–Ni сплавів, що зістарено” присвячено дослідженню структуроутворення під час деформації Fe–Ni сплавів у двофазному стані. У вказаному розділі описано особливості деформації сплаву Н17В10К10МТ, у якому має місце гомогенний розпад твердого розчину з виділенням Ni3Me і гетерогенний розпад з виділенням Fe2Me. Розглядається трансформація структури деформованих сплавів при нагріванні, явище уповільненого руйнування, вплив деформації на залишкові напруги і засоби підвищення властивостей сплавів.

Встановлено, що деформація у двофазному стані також призводить до утворення локальних вигинів. Але при наявності зміцнюючої фази типу Ni3Me, що виникає в результаті гомогенного розпаду в області 450оС, зразки після деформації руйнуються з утворенням спіралевидної щілини з постійним кроком, що обумовлено високим рівнем і особливостями розподілу залишкових напруг. Розглянуто явище уповільненого руйнування мартенситностаріючих сплавів, яке полягає в різкому падінні пластичності (до нуля) при повільному навантаженні ( 10–4с–1) і має місце після старіння в області виділення когерентних часток інтерметалідної фази типу Ni3Me. Це явище пов’язують із збагаченням воднем зон об’ємного розтягу поблизу когерентно зв’язаних з матрицею виділень. Показано, що пластична деформація, яку проводять до старіння, різко звужує температурний інтервал, що відповідає розвитку уповільненого руйнування і зсуває його в бік низьких температур (рис.3). Це обумовлено, як свідчать рентгенівські дослідження напруг, втратою когерентності виділення в структурі з пружно-пластичним вигином кристалічних областей.

Рис. 3. Вплив температури ста-ріння на відносне звуження вихідної (1) і деформованої (2,3) сталі ЭП836: 2 - = 20%, 3 - 40%. Швидкість деформації при випробуванні на розтяжіння 10–5с–1.

Локальні величини кристалічних площин мають місце і при деформації сплаву, що зістарено в області гетерогенного розпаду з виділенням частинок типу Fe2Me (область 550–600оС). Показано, що залишкові напруги у досліджених сплавах неадитивні ефектам від деформації і старіння, але залишаються у більшості випадків стискаючими.

Специфічність структур деформації Fe–Ni сплавів, які не зістарені, дає суттєву зміну в проходженні фазових перетворень при нагріванні. Попередня деформація підвищує на 40–50оС температуру початку гомогенного розпаду твердого розчину при виділенні Ni3Me, в цей же час початок утворення Fe2W за гетерогенним механізмом знижується по температурі на таку ж величину. Зворотнє -перетворення в деформованих сплавах також має місце при нижчих температурах (на 20–40оС) і призводить до утворення тонких аустенітних прошарків на межах фрагментів, що утворились внаслідок нагрівання структури з локальними вигинами. Врахування цих особливостей дозволило розробити низку засобів підвищення міцності досліджених сплавів (табл. 2).

Четвертий розділ “Процеси трансформації структури при деформації сплавів системи Fe–C” присвячений аналізу закономірностей пластичної деформації залізовуглецевих сплавів з вмістом вуглецю 0,4%, в яких мартенсит є дислокаційним. В ньому показані результати дослідження впливу деформації на залишкові напруги і властивості сплавів, висвітлено вплив вихідного стану, який можна варіювати за допомогою відпускання, на мезомеханізми деформації і характер процесів рекристалізації, обговорено можливі засоби пригнічення зворотної відпускної крихкості. В останньому підрозділі глави наведено результати впливу деформації високовуглецевих сплавів на характер акомодаційних процесів при мартенситному перетворенні.

Таблиця 2

Механічні властивості мартенситостаріючих сплавів після старіння
у недеформованому та деформованому стані

Мате-ріал | Засіб
обробки | b, МПа | 0,2, МПа | ,% | ,% | KCU,
кДж/м2

ЭП836 | стандартний*

запропонований** I

запропонований II | 2180

2400

2550 | 2140

2350

2500 | 12

8

7 | 48

52

44 | 300

300

250

ЧС98 | стандартний

запропонований* | 2025

2250 | 1910

2210 | 8

8 | 48

51 | 300

300

ЭП637

(труби) | стандартний

запропонований* | 1750

2030– | крихке зруйнування

1980 8,2 – –

* = 0%, ** = 40%; І та II – різні режими старіння

В досліджених Fe–C сплавах так само, як і в інших сплавах цього класу, при деформації має місце різке зміцнення (рис. 1). За допомогою ефекту деформаційного старіння вдається одержати високоміцний стан у сплавах з відносно низькою вихідною межею плинності. Це продемонстровано на сплаві 35X3НМ, де вдалося підвищити 0,2 на 50% при зберіганні високого рівня ударної в’язкості (табл. 3).

Структурні зміни в залізо-вуглецевих сплавах треба в більшості віднести до ротаційних тому, що в них має місце фрагментація мартенситних кристалів. Очевидно, що головну роль в реалізації ротаційного механізму у даному випадку відіграє вуглець, який закріплює дислокації. В роботі показано, що зменшення вмісту вуглецю у твердому розчині за рахунок переходу його в карбідну фазу дозволяє при деформації одержати значну частину рухливих дислокацій і сформувати в сплаві ЗОХГСА після нагріву при 600оС комірчасту структуру. Структури з розорієнтаціями, що безперервно змінюються, з’являються внаслідок деформування сплаву, який було відпущено при 700оС. Встановлено, що змінюючи склад твердого розчину за елементами проникнення за рахунок виділення надмірної фази можна одержати на одному й тому ж сплаві структури з дискретною і безперервною розорієнтацією областей кристалічної гратки.

Таблиця 3

Механічні властивості сплаву 35Х3НМ після відпуску

засіб обробки | b, МПа | 0,2, МПа | ,% | KCU,
кДж/м2

Стандартний* | 1820 | 1480 | 50,5 | 560

запропонований** І | 2320 | 2280 | 40,3 | 550

запропонований II | 2300 | 2250 | 42 | 450

* = 0%, ** - відпуск + = 5% + відпуск; І та ІІ - різні режими відпуску

Пластична деформація, яка призводить до утворення комірчастої структури, дозволяє за рахунок процесів полігонізації і рекристалізації створити наддрібнозернисту структуру з новими межами, яка не має схильності до розвитку зворотної відпускної крихкості (рис. 4).

Встановлено також, що комірчасту структуру можна використати для зміни механізму релаксації напруг при мартенситному перетворенні високовуглецевого (1,55%С) сплаву Х12М. Створення такої структури забезпечує при нагріванні сегрегацію вуглецю до меж полі-

Рис. 4. Залежність ударної в’яз-кості (Твипробування = -40оС) сплаву 30ХГСА, який було заздалегідь відпущено при 600оС, від температури відпуску: 1 -
= 0%, 2 - = 50%.

гональної структури. Наслідком цього процесу є підвищення мартенситної крапки і поява відносно пластичного дислокаційного мартенситу замість крихкого двійникованого.

У п’ятому розділі “Структурні зміни при пластичній деформації сплавів на основі титану” розглянуто механізми структури при пластичній деформації титанового сплаву ВТ22 в однофазному (-фаза) та двофазному (+) станах, одержано результати дослідження впливу пластичної деформації на процеси рекристалізації, формування первинної та вторинної -фази і властивостей сплаву.

Встановлено, що сплав, який було піддано деформації в однофазному -стані, стає фрагментованим, ОКР зменшується більш ніж на порядок. Фрагментація, що спостерігається, виникла внаслідок не перебудови дислокаційної підсистеми, а, як показано вперше в роботі, в результаті мартенситного перетворення. Орторомбічний мартенсит, орієнтаційно зв’язаний з вихідною -матрицею, можна знайти рентгенографічним методом при деформаціях до 15%. Мартенситне перетворення в процесі пластичної деформації являє собою специфічний канал дисипації енергії пластичної деформації і може розглядатись, як прояв ротаційної моди деформації тому, що має дискретні зміни орієнтації і колективний характер переміщення атомів. Внаслідок зовнішнього навантаження пружні викривлення, що виникають в результаті зовнішньої напруги, сумуються з ромбічними викривленнями від легуючих елементів і в конкретних кристалографічних напрямках здійснюють зсувний –-перехід. При значних ступенях деформації частка пружної енергії, яку запасено, зменшується за рахунок розвороту областей один відносно одного і має місце зворотне мартенситне перетворення . Залежність межі плинності від ступеня деформації титанового сплаву в однофазному стані характеризується відсутністю зміцнення на малих ступенях деформації (0–20%) і незначною величиною на великих.

Перехід сплаву у більш стабільний двохфазний стан (+55%
-фази) за рахунок легування твердого розчину -стабілізуючими елементами при виділенні -фази проявляється в зміні модуля пружності. Це радикально змінює характер кривої –: спочатку має місце значне зміцнення, потім плато в області 10–30% і подальше зміцнення (рис. 1). Електронно-мікроскопічне дослідження дозволяє виявити при 20% екстинкційні контури на зображеннях структури деформованих матеріалів і відповідні безперервній зміні розорієнтації мікродифракційні картини. Високу густину дислокацій, що необхідна для реалізації вигинного механізму, можна досягти у цьому випадку в процесі пластичної деформації.

Трансформація структури при наступному нагріванні залежить від типу структури, яка формується при деформації. Цей вплив досліджено у відношенні усіх основних параметрів структури титанового сплаву: розмір -зерна, розмір і розподіл первинної і вторинної -фази. Знайдено умови, які забезпечують зменшення кожного з цих параметрів. Можливість цілеспрямованої зміни структури обумовила вибір режимів покращення комплексу властивостей титанового сплаву ВТ22 з різним співвідношенням міцності і пластичності (табл. 4).

Таблиця 4

Механічні властивості сплаву ВТ22
після відпалу та старіння

Режим обробки | b, МПа | ,% | ,%

Стандартний* | 1270 | 11 | 9,6

запропонований** I | 1450 | 2280 | 32,7

запропонований II | 1590 | 2250 | 23,5

* = 0%; ** відпал+деформація+старіння, I – = 30%; II – = 50%

Шостий розділ “Механізми пластичної деформації мезорівня та загальні принципи керування властивостями багатокомпонентних систем” є узагальнюючим, в ньому обговорюються мезоскопічні механізми пластичної деформації металевих сплавів і відповідні їм структури деформації, запропоновано реологічні моделі мезоскопічного рівня пластичної деформації, формулюються принципи керування структурою і властивостями металевих сплавів з високою густиною дислокацій при використанні пластичної деформації.

В цьому розділі на основі аналізу власних та літературних даних запропоновано утворення локальних пружнопластичних вигинів кристалічної гратки розглядати як самостійну моду мезорівня пластичної деформації, введення якої, як і ротаційної, спрощує опис складних дислокаційних структур на стадії розвиненої пластичної деформації.

Головною умовою виникнення локальних вигинів є можливість спільного переміщення дислокацій без розриву міжатомних зв’язків на мезоскопічній протяжності, іншою мовою – без утворення дискретної розорієнтаціїї кристалічної гратки. Для реалізації цієї умови необхідна висока густина дислокацій і можливість значного відхи-лення атомів від стану рівноваги, що характеризуються модулем пружності. Вплинути на цупкість міжатомного зв’язку можна шляхом легування, головним чином по типу заміщення (Ni в Fe–Ni сплавах).

Реалізація вигинної моди повинна бути найбільш вірогідною в матеріалах, що мають середнє значення енергії дефектів пакування і яка відповідає обмеженості попереднього ковзання. Ця енергія обумовлює організацію дипольних плоских та похилих рядів дислокацій, а також їх відносну стабільність. Перехід від структур з поступовою зміною розорієнтації до дискретних може мати місце за рахунок перебудови дипольних плоских та похилих рядів у дипольні дислокаційні, стінки під дією зростаючих напруг при великих деформаціях.

Досліджено можливість опису мезоскопічних механізмів за допомогою методу реологічних моделей. В роботі стандартну модель пластичної деформації модернізовано шляхом введення нового елементу, який при малих деформаціях пружньо стискається, виконуючи роль пружини в стандартній моделі. При великих стержень губить стійкість, утворюючи пластичні шарніри, які збільшують силу сухого тертя. Така модель допускає і другу можливість, коли пружний стержень губить стійкість, пружньо вигинається, але після зняття навантаження вигини залишаються. Структурним елементом, що утримує гратку від вирівнювання після зняття деформуючої напруги, є дипольні дислокаційні скупчення, які виконують роль сухого тертя в указаній моделі. Наведено визначальні співвідношення між макронапругами і макродеформаціями.

На основі одержаних в роботі результатів сформульовано принципи використання пластичної деформації в нових технологіях для сплавів з високою густиною дислокацій.

- Властивості деформованих сплавів з високою ( 109см-2) густиною дислокацій визначаються головним чином структурами мезорівня. Три типи структур, що утворюються в процесі пластичної деформації: нерозорієнтовані структури, з безперервною зміною орієнтації кристалічної гратки та з дискретною розорієнтацією - по різному еволюціонують при послідовному нагріві. Для правильного вибору режиму термічної обробки необхідно визначити тип структури деформації.

- Тип структури деформованого стану визначає хід процесів рекристалізації. Для одержання дрібного зерна нема рації використовувати нерозорієнтовані структури тому, що рекристалізація в них проходить неоднорідно з швидким ростом окремих зерен. Структури з дискретною розорієнтацією – це найкраща основа для одержання при температурі рекристалізації однорідного дрібного зерна. Такий же ефект дають структури з безперервною розорієнтацією, якщо при нагріванні в області Т Трекр. здійснити перехід таких структур в дискретно розорієнтовані.–

Тип дислокаційної структури вносить особливості в процес гомогенного розпаду твердого розчину. Режим, що забезпечує максимальне зміцнення для деформованих сплавів з безперервно розорієнтованими структурами, треба шукати в області підвищених температур та в більш вузькому температурному інтервалі у порівнянні з іншими структурами та недеформованим станом.–

Якщо знати тип дислокаційної структури мезорівня, то це дозволяє визначити шляхи для запобігання крихкості, яка пов’язана з локалізованим виділенням другої фази. Для запобігання міжкристалітної крихкості (наприклад, зворотної відпускної крихкості) треба створити розорієнтовані структури та створити на їх основі дрібнозернистий стан, який зведе нанівець крихкість старих границь. Для запобігання транскристалітній крихкості (наприклад, сповільненому руйнуванню), яка зв’язана з орієнтованим виділенням другої фази, треба при пластичній деформації одержати структури з безперервною розорієнтацією, що забезпечить втрату когерентності змінюючої фази на ранній стадії.–

Склад твердого розчину за елементами проникнення та заміщення, який впливає на рухливість дислокацій, визначає типи дислокаційних структур мезорівня, які формуються при пластичній деформації. Цілеспрямоване одержання конкретного типу структур може бути реалізовано шляхом зміни вихідного стану сплаву до деформації за рахунок процесів розпаду твердого розчину.

ВИСНОВКИ

1. Процес структуроутворення при пластичній деформації у сучасний час зображається головним чином на основі уявлень про дві моди деформації – трансляційну (зсувну) і ротаційну (зворотну). Однак ці уявлення недостатньо відображають реальну картину еволюції структур матеріалів, що деформуються. Особливо це стосується багатокомпонентних металевих сплавів з високою густиною дефектів, які використовуються в сучасній техніці.

2. Завдання, які поставлені в роботі, вирішувались шляхом всебічного аналізу структурних змін при деформації і наступному нагріві матеріалів, будування відповідних фізичних моделей та вияву залежності фізико-механічних властивостей від структур, що формуються.

3. Деформація Fe–Ni мартенситностаріючих сплавів (Н17В10К10МТ, Н18К9М5Т, Н17В10МТ та Н17) супроводжується малим деформаційним зміцненням і формуванням структур з безперервною зміною орієнтації (з мезоскопічними локальними вигинами) кристалічної гратки, які можна виявити на електронно-мікроско-пічному зображенні за наявністю замкнених екстинкційних контурів. Вказані структури утворюються при різних видах деформування: гідроекструзії, ротаційній ковці, прокатці, розтягуванні в широкому інтервалі ступенів деформації і змінюються на дискретно розорієнтовані при 60-70% деформації. Відносна зміна об’єму матеріалу при утворенні структур з безперервною зміною орієнтації кристалічної гратки складає 10-3, що на один-два порядки перевершує вплив нерозорієнтованих структур з розподіленими дислокаціями та наближається до ефекту